DE102008024856A1 - Piezoelectric transducer for use in piezoelectric transformer, has ceramic body exhibiting piezoelectric effect in polarization direction, where body has different thicknesses in regions in polarization direction
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Piezoelectric transducer for use in piezoelectric transformer, has ceramic body exhibiting piezoelectric effect in polarization direction, where body has different thicknesses in regions in polarization direction

Abstract

The transducer has a plate shaped ceramic body (1) exhibiting a piezoelectric effect in a polarization direction (5). Electrodes (2, 3) are arranged on a base surface and a cover surface of the ceramic body. The ceramic body has different thicknesses (d1, d2) in regions in the polarization direction. The body is connected with a substrate (10) by one of the electrodes. The substrate is formed as a circular ring segment or a hollow ball section. The polarization direction runs perpendicular to a surface of the substrate. The body consists of high quality ceramic material. An independent claim is also included for a piezoelectric transformer.

Die obige Aufgabe wird gelöst durch einen piezoelektrischen Wandler, dessen Keramikkörper in einem ersten Bereich und in mindestens einem zweiten Bereich in Polarisationsrichtung unterschiedliche Abmessungen aufweist. The above object is achieved by a piezoelectric transducer, the ceramic body in the direction of polarization has different dimensions in a first region and at least a second region.

Durch die erfindungsgemäße Lösung entsteht ein piezoelektrischer Wandler, bei dem Grund- und Deckfläche nicht, wie sonst üblich, parallel verlaufen. The inventive solution is a piezoelectric transducer in which base and top surface does not come, as usual, are parallel.Bei unterschiedlichen Abmessungen in einem ersten Bereich und in mindestens einem zweiten Bereich in Polarisationsrichtung, dh bei unterschiedlichen Dicken des Keramikkörpers in dem ersten und in dem mindestens einen zweiten Bereich ergibt sich, dass der Wandler in jedem dieser Bereiche, die unterschiedliche Dicken aufweisen, eine andere Resonanzfrequenz hat. In different dimensions in a first region and at least a second area in the polarization direction, ie at different thicknesses of the ceramic body in the first and in the at least one second range results in that the transducer in each of these areas, which have different thicknesses, a different has resonance frequency.Durch eine elektrische Parallelschaltung dieser Bereiche kann in der Summe ein breitbandiger Wandler realisiert werden. By a parallel connection of these areas in the sum of a broadband transducer can be realized.Der piezoelektrische Wandler kann entsprechend – je nach Verwendung – zur Erzeugung breitbandiger mechanischer Schwingungen (beim inversen piezoelektrischen Effekt) bzw. zur Erzeugung breitbandiger elektrischer Signale (beim piezoelektrischen Effekt) eingesetzt werden. The piezoelectric transducer may accordingly - depending on the use - for generating broadband mechanical vibrations (in the inverse piezoelectric effect) or for generating broadband electrical signals are used (the piezoelectric effect).Da aufgrund der unterschiedlichen Abmessungen des Keramikkörpers in Polarisationsrichtung die Resonanzfrequenz der mechanischen Schwingung bzw. des elektrischen Wechselfelds ortsabhängig ist, lässt sich diese gezielt in einem bestimmten Bereich des Wandlers anregen. Since due to the different dimensions of the ceramic body in the polarization direction, the resonance frequency of the mechanical oscillation or of the alternating electric field is location-dependent, this can be targeted to stimulate in a certain range of the transducer.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Keramikkörper keilförmig oder stufenförmig ausgebildet. In a preferred embodiment, the ceramic body is wedge-shaped or step-shaped.Bei einer Keilform, bei der Grund- und Deckfläche des Keramikkörpers schräg, dh unter einem Winkel, zueinander verlaufen, weist jeder Bereich eines derartigen Keramikkörpers eine unterschiedliche Dicke auf. In a wedge shape in the base and top surface of the ceramic body obliquely, that is, run at an angle to each other, each area of ​​such a ceramic body to a different thickness.Bei einer stufenförmigen Ausbildung des Keramikkörpers verlaufen Grund- und Deckfläche derart, dass entweder lediglich die Grundfläche oder lediglich die Deckfläche stufenförmig ausgebildet ist oder beide Flächen eine Stufenform aufweisen. In a step-like formation of the ceramic body extending base and top surface such that either only the bottom surface or only the top surface is formed stepwise or both surfaces have a stepped shape.Auf jeder Stufe hat der piezoelektrische Wandler dann in Polarisationsrichtung eine unterschiedliche Abmessung. At each stage, the piezoelectric transducer has then in a polarization direction different dimension.

Es ist ebenfalls bevorzugt, dass das Substrat als Kreisringsegment oder Hohlkugelabschnitt ausgebildet ist. It is also preferred that the substrate is formed as a circular ring segment or hollow spherical section.Hierdurch lässt sich sehr einfach realisieren, dass mindestens zwei Bereiche des auf dem Substrat angeordneten Keramikkörpers in Polarisationsrichtung unterschiedliche Abmessungen aufweisen. Thereby can be realized very simply, that at least two regions of the substrate disposed on the ceramic body have different dimensions in the polarization direction.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist auf der Grund- und/oder Deckfläche des Keramikkörpers eine Vielzahl von Elektroden angeordnet. In a preferred embodiment, a plurality of electrodes disposed on the base and / or cover surface of the ceramic body.Dies hat den Vorteil, dass verschiedene Bereiche der Metallisierung nicht zwingend elektrisch parallel geschaltet sind. This has the advantage that different portions of the metallization are not necessarily electrically connected in parallel.Da jedem Bereich eine Frequenz zugeordnet ist, können durch die Vielzahl von Elektroden verschiedenen Frequenzen verschiedenen elektrischen Schaltungen zugeordnet werden. Since each region is assigned a frequency, different electrical circuits can be assigned by the plurality of electrodes of different frequencies.Dies kann bei der Ansteuerung von breitbandigen Keramiken von Vorteil sein, da verschiedene Signalquellen für die Erzeugung verschiedener Frequenzbereiche genutzt werden können, ohne dass die Ausgänge der Quellen elektrisch gemischt werden müssen. This can be in control of broadband ceramics advantageous because various signal sources for generating different frequencies can be used without the outputs of the sources must be electrically mixed.Bei der inversen Nutzung (als Empfänger) können verschiedene Frequenzen oder Frequenzbereiche einer anderen Schaltung oder Teilschaltung zugeordnet werden. In the inverse use (as a receiver) different frequencies or frequency ranges of another circuit or sub-circuit can be assigned.So ist es z. Thus it is.B. möglich, die verschiedenen Frequenzanteile eines ankommenden Signals auf verschiedene Leitungen zu verteilen. As possible to distribute the different frequency components of an incoming signal on different lines.Je nach Anzahl der Elektroden kann das Signal auf diese Weise in sehr viele Einzelfrequenzen aufgeteilt werden und damit eine Spektraldarstellung des Signals erzeugt werden. Depending on the number of electrodes, the signal can be divided in this way in a very large number of individual frequencies, and thus a spectral representation of the signal are generated.Ein Signal kann so auf ausgewählte Frequenzen hin untersucht werden, ohne dass aufwendige Berechnungen erforderlich sind. A signal can thus be studied to selected frequencies, without complicated calculations are required.Die Aufteilung in mehrere Bereiche hat auch den Vorteil, dass der Wandler zugleich als Sender und Empfänger genutzt werden kann, ohne dass eine galvanische Verbindung zwischen dem Sender und dem Empfänger besteht. The division into a plurality of regions has also the advantage that the transducer can be simultaneously used as a transmitter and receiver, without any galvanic connection between the transmitter and the receiver.Hierbei ist insbesondere bevorzugt, wenn mindes tens zwei der Vielzahl von Elektroden, die auf der Grundfläche oder der Deckfläche des Keramikkörpers angeordnet sind, miteinander verbunden sind. Here is particularly preferred if Minim two of the plurality of electrodes are arranged on the base surface or the cover surface of the ceramic body, are connected together least.So können verschiedene Frequenzen oder Frequenzbereiche zusammengefasst werden, je nachdem, ob der Wandler seine Abmessung stufenförmig oder kontinuierlich ändert. Thus, different frequencies or frequency ranges can be combined, depending on whether the converter will change its dimension stepwise or continuously.Falls der Aufbau der Keramik es nicht ermöglicht, verschiedene Bereiche gleicher Frequenzen direkt auf der Keramik miteinander zu verbinden, so können Bereiche gleicher Frequenz an einer anderen Stelle miteinander verbunden werden, z. If the structure of the ceramic does not allow to connect different areas of the same frequencies on the ceramic with each other, so areas can be connected to each other the same frequency in another place, for.B. von der angeschlossenen Elektronik. B. of the connected electronics.

Die obige Aufgabe wird ferner gelöst durch einen piezoelektrischen Transformator mit einem ersten und mindestens einem zweiten oben beschriebenen piezoelektrischen Wandler. The above object is further achieved by a piezoelectric transformer having a first and at least a second above-described piezoelectric transducer.Auch ein solcher piezoelektrischer Transformator ist geeignet für die Transformation elektrischer Signale, die breitbandig sind. Also, such a piezoelectric transformer is suitable for the transformation of electrical signals are broadband.Zudem können ortsabhängige elektrische Signale erzeugt werden, wobei die Position der Erregung durch die Frequenz der elektrischen Erregung gesteuert werden kann. In addition, location-dependent electrical signals may be generated, wherein the position of the excitation can be controlled by the frequency of the electrical excitation.Auf diese Weise kann mittels des breitbandigen Transformators ein Frequenzanalysator realisiert werden: An der Primärseite wird ein beliebiges Signal eingespeist und auf der Sekundärseite werden die einzelnen Frequenzanteile des Signals über separate Elektroden abgegriffen und ggf. weiterverarbeitet. In this way, a frequency analyzer can be realized by means of the wide-band transformer: an arbitrary signal is fed to the primary side and on the secondary side of the individual frequency components of the signal to be tapped off via separate electrodes and possibly further processed.

Um eine gute mechanische Kopplung beider Wandler zu erreichen, ist ein Aufbau vorteilhaft, bei dem der erfindungsgemäße piezoelektrische Transformator neben dem ersten piezoelektrischen Wandler genau einen zweiten piezoelektrischen Wandler aufweist, wobei der erste und der zweite piezoelektrische Wandler baugleich aufgebaut und spiegelverkehrt angeordnet sind. To obtain a good mechanical coupling of the two converters, a structure is advantageous in which the piezoelectric transformer according to the invention next to the first piezo-electric transducer has exactly a second piezoelectric transducer, wherein the first and the second piezoelectric transducer are identical constructed and arranged mirror-inverted.Hierbei stehen die Bereiche mit der gleichen Abmessung des jeweiligen Keramikkörpers in Polarisationsrichtung in mechanischem Kontakt miteinander, so dass die Stellen gleicher Resonanzfrequenz direkten mechanischen Kontakt miteinander haben. Here, the areas are having the same dimension of each ceramic body in direction of polarization in mechanical contact with each other so that the sites have the same resonance frequency direct mechanical contact with each other.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen der erste und der mindestens eine zweite piezoelektrische Wandler mindestens eine gemeinsame, auf gegenüberliegenden Begrenzungsflächen der jeweiligen Keramikkörper angeordnete Elektrode auf. In a preferred embodiment, the first and the at least one second piezoelectric transducer has at least one joint, arranged on opposite boundary surfaces of the respective ceramic body electrode.Hierdurch wird eine Materialeinsparung in Bezug auf das Elektrodenmaterial erreicht und die Herstellung des piezoelektrischen Transformators vereinfacht. In this way, a saving in material is achieved in relation to the electrode material, and simplifies the manufacture of the piezoelectric transformer.

Alternativ kann zwischen dem ersten und dem mindestens einen zweiten Wandler ein Substrat angeordnet sein. Alternatively it can be arranged between the first and the at least one second transducer a substrate.Hierdurch wird die mechanische Stabilität des Transformators erhöht. In this way, the mechanical stability of the transformer is increased.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Grenze zwischen zwei benachbarten Elektroden auf einem piezoelektrischen Wandler nicht geradlinig, also beispielsweise wellenförmig, und in Polarisationsrichtung überlappend ausgeführt sein. In another embodiment, the boundary between two adjacent electrodes on a piezoelectric transducer are not straight, that is, for example, wave-shaped, and be carried out overlapping in the polarization direction.Insbesondere bei Keramiken mit kontinuierlich veränderlicher Dicke können so die Frequenzbereiche gemischt werden. In particular, in ceramics with continuously varying thickness, the frequency ranges can be mixed way.Dies kann sowohl bei der Funktion als Sender als auch als Empfänger von Vorteil sein, da die Zuordnung einzelner Elektroden und zugehöriger Frequenzbereiche an bestimmte elektrische Schaltungen überlappend erfolgen kann. This can be both the function as a transmitter and as a receiver of advantage, since the assignment of individual electrodes and associated frequency ranges may be made to certain electrical circuits overlap.

Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen Wandlers bzw. erfindungsgemäßer Transformatoren. Other objects, features, advantages and possible applications of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments of a transducer according to the invention or inventive transformers.Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. All features described and / or illustrated features per se or in any combination form the subject of the present invention, irrespective of their summary in individual claims or their back-reference.

7 7einen Querschnitt des ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wandlers mit Teilen der Ansteuerungsschaltung, a cross-section of the first embodiment of a piezoelectric transducer according to the invention with parts of the driving circuit,

8 8theine weitere Darstellung des Querschnitts des ersten Ausführungsbeispiels eines piezoelektrischen Wandlers mit einem Teil der Ansteuerungsschaltung, a further illustration of the cross section of the first embodiment of a piezoelectric transducer with a part of the drive circuit,

9 9und and10 10zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Transformators im Querschnitt sowie Two embodiments of a piezoelectric transformer according to the invention in cross-section and

Bei dem in In the in1 1dargestellten erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wandler verlaufen die Begrenzungsflächen Grundfläche und Deckfläche des plättchenförmigen Keramikkörpers piezoelectric transducer according to the invention shown extending the boundary surfaces base surface and top surface of the plate-shaped ceramic body1 1nicht parallel zueinander. not parallel to one another.Die Polarisationsrichtung The polarization direction5 5des Keramikkörpers the ceramic body1 1verläuft annähernd senkrecht zur Oberfläche des Substrats extends approximately perpendicular to the surface of the substrate10 10(Unterlage) bzw. in Richtung der Dicke des Keramikkörpers. (Base) or in the direction of the thickness of the ceramic body.Die Polarisationsrichtung verläuft ferner senkrecht zur Grund fläche des Keramikkörpers The polarization direction further perpendicular to the ground surface of the ceramic body1 1. ,Aufgrund der keilförmigen Gestaltung des Keramikkörpers Due to the wedge-shaped design of the ceramic body1 1mit einer schräg, in einem spitzen Winkel zur Grundfläche und eben verlaufenden Deckfläche weist der Keramikkörper entlang seiner Breite with a slanted, at an acute angle to the base surface and extending just cover surface, the ceramic body along its width6 6(Breite (Width6 6steht senkrecht auf Polarisationsrichtung is perpendicular to the polarization direction5 5) in jedem seiner Bereiche eine unterschiedliche Dicke auf. ) In each of its areas of different thickness.Beispielsweise hat der Keramikkörper For example, the ceramic body1 1in einem ersten Bereich eine Dicke d1 und in einem zweiten Bereich eine Dicke d2, wobei d1 > d2 ist, so dass in diesen Bereichen unterschiedliche Resonanzfrequenzen ausgebildet werden. a thickness d1 and a second region has a thickness d2, with d1> d2 is so formed in these areas, different resonance frequencies in a first range.

In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Deckfläche des Keramikkörpers, auf der die Elektrode In a further, not shown embodiment, the top surface of the ceramic body on which the electrode2 2angeordnet ist, auch uneben ausgebildet sein. is arranged also be designed uneven.

Das in This in2 2dargestellte zweite Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wandlers weist einen Keramikkörper illustrated second embodiment of a piezoelectric transducer according to the invention comprises a ceramic body1' 1'auf, bei dem die Deckfläche und entsprechend die erste Elektrode on, wherein the top surface and corresponding to the first electrode2' 2 'einen Ausschnitt aus einer Kugelfläche oder einer Zylindermantelfläche bildet. forms a section of a sphere or cylinder surface.Die Grundfläche ist als ebene Fläche ausgebildet. The base is formed as a flat surface.Auch hierdurch lassen sich Bereiche des Keramikkörpers This also makes it leave areas of the ceramic body1' 1'ausbilden, die in Polarisationsrichtung train, in the direction of polarization5 5unterschiedliche Abmessungen aufweisen. have different dimensions.

Bei dem in In the in3 3dargestellten Ausführungsbeispiel hat das Substrat Embodiment shown, the substrate10'' 10 ''die Form eines Segments eines Kreisrings oder einer Hohlkugel. the shape of a segment of a circular ring or a hollow sphere.Hierdurch erhält die auf diesem Substrat angeordnete zweite Elektrode Hereby is obtained which is arranged on said substrate second electrode3'' 3 ''sowie die daran angrenzende Grundfläche des Keramikkörpers as well as the adjoining base of the ceramic body1'' 1''die Form eines Segments einer Zylindermantelfläche bzw. eines Teils einer Kugelfläche. the shape of a segment of a cylinder surface or a part of a spherical surface.Die Deckfläche des Keramikkörpers The top surface of the ceramic body1'' 1''ist als ebene Fläche ausgebildet. is formed as a flat surface.Hierdurch ist es ebenfalls möglich, verschiedene Bereiche des Keramikkörpers mit unterschiedlichen Abmessungen in Polarisationsrichtung In this way it is also possible to use different areas of the ceramic body with different dimensions in the direction of polarization5 5auszubilden. train.

Die in den In the2 2und and3 3dargestellten Ausführungsbeispiele weisen Begrenzungsflächen auf, die symmetrisch ausgebildet sind. Illustrated embodiments have boundary surfaces, which are formed symmetrically.Sowohl jeweils die Grund- als auch die Deckfläche zeigen zumindest eine Spiegelsymmetrie (im Fall des dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wandlers lediglich für die Substratform eines Kreisrings). Both each the base and the top surface of at least show a mirror symmetry (in the case of the third embodiment of the piezoelectric transducer of the invention only for the substrate shape of a circular ring).

Das in This in4 4dargestellte Ausführungsbeispiel weist einen Keramikkörper Embodiment shown comprises a ceramic body1 1auf, welcher die gleiche Form wie der Keramikkörper on which the same shape as the ceramic body1 1des in of in1 1dargestellten ersten Ausführungsbeispiels besitzt. illustrated first embodiment has.Auf der Deckfläche des Keramikkörpers On the top surface of the ceramic body1 1ist die Metallisierung jedoch nicht vollflächig ausgebildet, sondern weist Unterbrechungen auf, so dass eine Vielzahl von Elektroden the metallization is not formed over the entire surface, but rather has interruptions, so that a plurality of electrodes2a 2a, .2b 2 B, .2c 2c, .2d 2d, .2e 2e, .2f 2fusw. erzeugt werden. etc. are generated.

Hinsichtlich der Herstellung eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wandlers ist von Vorteil, dass die Polarisation der Keramik kann im fertigen Bauelement mit den angebrachten Elektroden erfolgen kann. With regard to the production of a piezoelectric transducer according to the invention is advantageous in that the polarization of the ceramic can may take place in the finished component with attached electrodes.Damit die maximal zulässige Feldstärke in der Kera mik nicht überschritten wird, können an den verschiedenen Elektroden verschiedene Spannungen zur Polarisation angelegt werden. So that the maximum permissible field strength in the Kera mik is not exceeded, different voltages to the polarization can be applied to the various electrodes.Alternativ kann auch ein polarisierter Keramikkörper in die richtige Form gebracht werden (z. B. durch mechanische Bearbeitung) und anschließend mit Elektroden versehen werden. Alternatively, a polarized ceramic body can be brought into the proper form (e.g., as by mechanical treatment) and are subsequently provided with electrodes.

In In9 9ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Transformators is a first embodiment of a piezoelectric transformer according to the invention40 40dargestellt, welcher sich aus zwei keilförmigen Keramikkörpern shown, which is wedge-shaped of two ceramic bodies1a 1aund and1b 1bzusammensetzt. composed.Die Keramikkörper The ceramic body1a 1aund and1b 1bsind hierbei so angeordnet, dass sie spiegelsymmetrisch zueinander verlaufen. are in this case arranged such that they extend in mirror symmetry to each other.Jeder dieser Keramikkörper Each of these ceramic body1a 1a, .1b 1bhat die gleiche Form wie der in has the same form as that in1 1dargestellte Keramikkörper Ceramic body shown1 1. ,Auf der Deckfläche des ersten Keramikkörpers On the top surface of the first ceramic body1a 1aist eine erste Elektrode a first electrode2 2und auf der Grundfläche des zweiten Keramikkörpers and on the base of the second ceramic body1b 1beine zweite Elektrode a second electrode4 4angeordnet. arranged.Es ist ferner eine gemeinsame Elektrode It is further a common electrode3'''' 3 '' ''vorgesehen, die auf der Grundfläche des ersten Keramikkörpers provided on the base surface of the first ceramic body1a 1abzw. der Deckfläche des zweiten Keramikkörpers or the top surface of the second ceramic body1b 1bangeordnet ist und gleichzeitig einen mechanischen Kontakt zwischen den beiden Keramikkörpern is arranged, and at the same time a mechanical contact between the two ceramic bodies1a 1aund and1b 1bherstellt. manufactures.Die Keramikkörper The ceramic body1a 1aund and1b 1bsind durch die Elektrode are defined by the electrode3'''' 3 '' ''miteinander verbunden. connected with each other.Durch die in By in9 9dargestellte Anordnung der Keramikkörper Arrangement of the ceramic body shown1a 1aund and1b 1bist sichergestellt, dass die Orte mit gleicher Resonanzfrequenz in Polarisationsrichtung This ensures that the places with the same resonant frequency in polarization direction6 6übereinander liegen. overlie one another.

Piezoelektrischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Begrenzungsflächen Grund- und Deckfläche eine symmetrische Form, vorzugsweise eine Spiegelsymmetrie und/oder eine Punktsymmetrie und/oder eine Rotationssymmetrie, besitzt. Piezoelectric transducer according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the boundary surfaces of the base and top surface of a symmetrical shape, preferably a mirror symmetry and / or a point of symmetry and / or a rotational symmetry has.

DE2008100248562008-05-232008-05-23Piezoelectric transducer for use in piezoelectric transformer, has ceramic body exhibiting piezoelectric effect in polarization direction, where body has different thicknesses in regions in polarization direction
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